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Fig. 1   Dren en el distrito de irrigación Penoche, valle de San Joaquín, California.



ESCORRENTIA SOSTENIBLE PARA EL BALANCE DE SALES


Víctor M. Ponce

Profesor de Ingeniería Civil y Ambiental

Universidad Estatal de San Diego

San Diego, California, EE.UU.

[091205]



RESUMEN:   Se calcula conceptualmente el valor mínimo del coeficiente de escorrentía que debe ser mantenido en una cuenca para hacer posible el balance de sales. La alternativa, es decir, la conversión de toda la escorrentía en evapotranspiración, es potentialmente insostenible, porque ocasiona que las sales se acumulen sin límite en el perfil del suelo. La naturaleza hizo que los sistemas de drenaje exorreicos se mantuvieran en balance de sales por medio de la escorrentía. Por lo tanto, para mantener el balance de sales en una cuenca, es necesario fijar un límite máximo al uso consuntivo de la escorrentía.



INTRODUCCIÓN

A través de un período de tiempo razonable, por ejemplo, un año, la cantidad de precipitación en una cuenca se divide en: (1) evaporación, (2) evapotranspiración, y (3) escorrentía. La evaporación (E) es la fracción de la precipitación que regresa a la atmósfera sin comprometer a la vegetación. La evapotranspiración (ET) es la fracción de la precipitación que regresa a la atmósfera a través de la vegetación. Para evitar confusión, la suma de evaporación y evapotranspiración se denomina aquí vaporización (V). La escorrentía (Q) es la fracción de precipitación que regresa al océano por medio de los ríos.

Globalmente, la vaporización constituye aproximadamente dos tercios (2/3) de la precipitación, y la escorrentía el último tercio (1/3). Por lo tanto, la relación global de vaporización a escorrentía es: V/Q = 2. Sin embargo, en zonas húmedas esta relación puede ser tan baja como 1 o menos, y en zonas áridas puede ser tan alta como 50 o más.



LA PRODUCCIÓN NATURAL DE SALES

En condiciones prístinas, el volumen anual de escorrentía es:

Ro = Qo A (1)

en el cual

Ro = escorrentía anual prístina, en m3;

Qo = escorrentía anual prístina, en m; y

A = área de drenaje de la cuenca, en m2.

En condiciones naturales, la escorrentía siempre carga una cantidad de sólidos disueltos, mayormente constituídos por sales. La concentración de sales en la escorrentía se expresa en gr/m3. Por tanto, la cantidad de sales en la escorrentía anual prístina es:

So = Co Ro (2)

en el cual

So = cantidad anual de sales que llega al océano a través de la escorrentía prístina, en gr; y

Co = concentración media de sales en la escorrentía prístina, en gr/m3.



LAS CUENCAS EXORREICAS Y ENDORREICAS

Las cuencas pueden tener drenajes exorreicos o endorreicos, dependiendo de su geomorfología. Una cuenca exorreica tiene salida al mar; por el contrario, una cuenca endorreica no tiene salida al mar. Las cuencas exorreicas tiene valores finitos de V/Q, con un valor medio global de 2. En las cuencas endorreicas la escorrentía es nula; por lo tanto, V/Q = ∞; es decir, toda la precipitación es convertida a vaporización.

Típicamente, las cuencas exorreicas tienen ríos y estuarios y drenan hacia el mar. De otro modo, las cuencas endorreicas tienen lagos y humedales y drenan hacia en centro, sin ninguna salida. Algunas cuencas aparentemente cerradas (lagos) pueden no ser totalmente endorreicas, teniendo porcentajes pequeños (es decir, finitos) de escorrentía; por ejemplo, el Lago Titicaca, en Perú. Estas cuencas se denominan semi-endorreicas. Asimismo, algunas cuencas aparentemente abiertas (ríos) pueden no ser completamente exorreicas, teniendo pequeños porcentajes de vaporización a través de pequeñas lagunas; por ejemplo, las salinas en la cuenca del río Alto Paraguay, en Mato Grosso, Brasil. Estas cuencas se denominan semi-exorreicas.

Las cuencas exorreicas no acumulan sales y otros sólidos. Las cuencas semi-exorreicas y semi-endorreicas acumulan pequeñas cantidades de sales. Las cuencas endorreicas acumulan grandes cantidades de sales.



EL EFECTO DE LA IRRIGACIÓN EN LA ESCORRENTÍA

La irrigación aumenta la evapotranspiración (ET). Este aumento puede venir de una reducción en la evaporación (E) o de una reducción en la escorrentía (Q). Sin embargo, en la práctica, la irrigación convierte mayormente la escorrentía en evapotranspiración, resultando así en una reducción neta de la escorrentía. Mediante el aumento de ET y, por consiguiente V, y la reducción de Q, la irrigación aumenta la relación V/Q.

En condiciones normales contemporáneas, la irrigación reduce la escorrentía anual a Qa, en el cual Qa = escorrentía anual antropogénica, en m. Por lo tanto:

Ra = Qa A (3)

en el cual Ra = escorrentía anual antropogénica, en m3.

Adicionalmente a la reducción en la escorrentía de Qo a Qa, la cantidad de sal (en la escorrentía) puede aumentar de So a Sa, en el cual Sa es la cantidad anual de sal entregada al océano por la escorrentía antropogénica, en gr. La relación

K = (Sa - So) / So (4)

es un indicador del tamaño del desarrollo de irrigación en la cuenca, y de la presencia efectiva de drenaje agrícola y consiguientes flujos de retorno. Cuando K = 0, no hay una salida adicional del sales de la cuenca; cuando K > 0, sí hay salida adicional de sales. En la práctica, K es usualmente mayor que 0, pues la irrigación produce nuevas sales, además de mobilizar sales antiguas que estaban en el perfil de suelo antes del desarrollo agrícola, debido a un drenaje semi-endorreico.



EL CONCEPTO DEL BALANCE DE SALES

Se dice que una cuenca está en balance de sales cuando no hay una acumulación significativa de sales en un período de tiempo aceptable, por ejemplo, un año. Un cuenca con balance de sales es una cuenca exorreica. Una cuenca sin balance de sales es una cuenca endorreica o semi-endorreica. Las cuencas semi-exorreicas pueden o no estar en balance de sales, dependiendo de las condiciones locales.

Para que una cuenca exorreica desarrollada (con irrigación) se mantenga en balance de sales, la concentración media de sales en la escorrentía antropogénica debe ser igual a:

Ca = Sa / Ra (5)

en el cual Ca = concentración media de sales en la escorrentía anual antropogénica, en gr/m3.

Reemplazando la Ec. 4 en la Ec. 5:

Ca = (1 + K) So / Ra (6)

Por lo tanto:

Ca Ra = (1 + K) So (7)

Reemplazando la Ec. 2 en la Ec. 7:

Ca Ra = (1 + K) Co Ro (8)

y en vista de las Ecs. 1 y 3:

Ca Qa = (1 + K) Co Qo (9)

Por lo tanto:

Qa = (1 + K) Qo / (Ca /Co) (10)

Para el caso K = 0, i.e., es decir, no hay salida adicional de sales, tomada como primera aproximación:

Qa = Qo / (Ca /Co) (11)

La Ecuación 11 es particularmente importante porque indica que la escorrentía anual antropogénica es inversamente proporcional a la relación de concentración media de sales en las escorrentías antropogénica y prístina. En el límite, conforme Qa → 0, se concluye que (Ca /Co) → ∞, es decir, que las sales se acumulan sin límite en la cuenca, contraviniendo el balance de sales.

Para conseguir el balance de sales, el valor Qa debe mantenerse finito; es decir, la escorrentía anual antropogénica debe ser una fracción de la escorrentía anual prístina. Además, el valor mínimo de la fracción a reservar para el balance de sales puede ser calculado fijando la relación Ca/Co en un valor apropiado a ser determinado por consenso de los actores locales. Por ejemplo, si Co = 300 gr/m3, y se considera aceptable un valor de Ca = 1,500 gr/m3, la relación de concentración media de sales en las escorrentías antropogénica y prístina es:

Ca /Co = 5 (12)

y la relación de escorrentías medias anuales, antropogénica a prístina, es:

Qa /Qo = 0.2 (13)

Para el caso K > 0, se aplica la Ec. 10. Por ejemplo, asumiendo K = 0.1, y Ca/ Co = 5:

Qa /Qo = 0.22 (14)

En otro ejemplo, asumiendo un valor alto de K = 0.5, aplicable a una cuenca altamente desarrollada para la irrigación. Con Ca/ Co = 5, la Ec. 10 lleva a:

Qa /Qo = 0.3 (15)



ESTUDIO DE CASO:  LA CUENCA DEL LAGO TULARE, CALIFORNIA

La cuenca del Lago Tulare, ubicada en el sur del valle Central, California, EE.UU., representa un caso interesante y algo extremo del secuestro antropogénico de sales. El Lago Tulare funciona como un sistema endorreico la mayor parte del tiempo, colectando la escorrentía local y regional, más las aguas estacionales del río Kings, hacia el norte. Sin embargo, durante los períodos de avenidas locales y regionales, la escorrentía del Lago Tulare podía cambiar de dirección y fluir hacia el norte, en dirección a los valles de Kings y San Joaquín (Fig. 1). Así, históricamente, el Lago Tulare ha funcionado como una cuenca semi-endorreica, con flujos y lavados ocasionales hacia el norte.

Fig. 2   La cuenca del Lago Tulare, California, en 1874.

El Lago Tulare y el sur del valle del río San Joaquín a principios de los años 1870. Antes de los años 1840, el Lago Tulare era el más grande lago de aguas frescas al oeste de los Grandes Lagos. Su destrucción hacia finales del siglo XIX debido a las derivaciones de agua para irrigación fue uno de los signos mas dramáticos de la rápida transformación del paisaje natural en un paisaje completamente dominado por la acción humana (Informe del Cuerpo de Gobierno sobre la irrigación de los valles de San Joaquín, Tulare, y Sacramento, del estado de California, Washington, D.C., cortesia de la Biblioteca Huntington).


A través del siglo XX, el desarrollo de la irrigación en la cuenca del Lago Tulare ha resultado en el secuestro de toda la escorrentía y su consiguiente conversión a vaporizacion. Mientras que la intención original era convertir la escorrentía en evapotranspiración, una cantidad considerable es convertida actualmente a evaporación, a través de las pérdidas de agua en los embalses de agua para irrigación y las lagunas de evaporación.

Toda gota de agua que precipita en la cuenca del Lago Tulare es capturada; por lo tanto, no se permite que ni una sola partícula de sal salga de la cuenca. Por el momento, el sistema funciona porque el drenaje de las tierras conduce el agua de retorno fuera de la zona radicular, la transporta, y acumula en las lagunas de evaporación (Fig. 3). A través de los años, conforme se opera el sistema, aumenta la necesidad de nuevas lagunas de evaporación. Es claro que el sistema es insustentable, trayendo consigo la certeza de su eventual destrucción.



CONCLUSIONES

El analisis conceptual aquí formulado demuestra que es necesario reservar un valor mínimo de la relación de escorrentías antropogénica a prístina con el fin de garantizar que el sistema hidrológico modificado mantenga un balance de sales adecuado. No puede haber balance de sales si esta relación es nula, es decir, si toda la escorrentía prístina es convertida a vaporización.

Existe un valor máximo de escorrentía que puede ser apropiado para uso consuntivo. Si no se presta atención a este límite, se produce una pérdida del balance de sales. Esta práctica es insostenible y debe ser evitada a toda costa. Por lo tanto, es absolutamente necesaria la regulación de la cantidad de agua de una cuenca con el fin de preservar la calidad de la tierra (y del suelo). Reiterando, la preservación de la calidad del agua no debe conseguirse a través de la degradación de la calidad de la tierra.



NOMENCLATURA

A = area de drenaje de una cuenca (m2);

Ca = concentración media de sales en la escorrentía antropogénica (gr/m3);

Co = concentración media de sales en la escorrentía prístina (gr/m3);

E = evaporación (m);

ET = evapotranspiración (m);

K = relación de la sal en exceso, debida a la irrigación, que llega al océano, a la sal que llega al océano mediante la escorrentía prístina, Ec. 4;

Q = escorrentía (m);

Qa = escorrentía anual antropogénica (m);

Qo = escorrentía anual prístina (m);

Ra = escorrentía anual antropogénica (m3);

Ro = escorrentía anual prístina (m3);

Sa = cantidad natural anual de sales que llega al océano a través de la escorrentía antropogénica (gr);

So = cantidad natural anual de sales que llega al océano a través de la escorrentía prístina (gr); y

V = vaporización, definida como la suma de evaporación y evapotranspiración (m).


Fig. 3   Laguna de evaporación en la cuenca del Lago Tulare, California.


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